電子設計 - PCB電力モジュール放熱設計の解

電力系統設計者は、より小さな回路基板領域上で常に高い電力密度を達成したい, そして、データセンターサーバとLTE基地局のために, アシックス, そして、より多くの力を消費するマイクロプロセッサは、これが特に真実です. より高い出力電流を達成するために, 多相系の使用は増加している. より小さな回路基板領域上でより高い電流レベルを達成するために, システム設計技術者は離散的電力解決を放棄し，電力モジュールを選択し始めた. これは、電力モジュールが、電力供給設計および解決の複雑さを低減するための一般的な選択を提供するからである PCBレイアウト 直流に関する問題/直流変換器.

This article discusses a 多層PCB layout 二相電力モジュールの放熱性能を最大化するためのスルーホールレイアウトを用いる方法. パワーモジュールは、2つのチャンネル20 A単相出力または単一チャンネル40 A 2相出力として構成することができる. 例 PCB設計 スルーホールを使用して、より高い電力密度を達成するために、電源モジュールからの熱を放散させる, ヒートシンクやファンなしで作業できるように.

したがって、このパワーモジュールは、このような高い電力密度を達成することができるか。図1の回路図に示されているパワーモジュールは、基板として銅を使用することによって、8.5℃／Wだけの非常に低い熱抵抗率を与えている。パワーモジュールの熱を放散するために、パワーモジュールは、直接的な取り付け特性を有する高効率熱伝導回路基板に取り付けられる。

The multi-layer circuit board has a top wiring layer (on which the power supply template is installed) and two buried copper planes connected to the top layer with through holes. This structure has a very high thermal conductivity (low thermal resistance), これはパワーモジュールの放熱を容易にする.

PCBの上部の銅層の熱抵抗を決定するために、銅層（t）の厚さをとり、熱伝導率と断面積の積で分割する。計算の便宜のために、我々は断面積として1平方インチを使用する。銅層の厚さは2.8ミル（0.0028インチ）である。これは、1平方インチの回路基板領域に堆積された2オンスの銅の厚さである。係数Kは、銅のW／（in−−Tin−C）係数であり、その値は9である。したがって、2.8 mLの銅の熱流のこの1平方インチに対して、熱抵抗は0.0028／9＝0.0003°C／Wである。

これらの数値から、33.4ミル（T 5）層の熱抵抗が最も高いことを知っている。図4のすべての数字は、4層1平方インチ回路基板の上面から底までの全熱抵抗を示している。PCBの一番上からPCBの下までのスルーホール接続を加えるならば、どうですか？このスルーホール接続を追加する状況を分析しましょう。

回路基板で使用されるスルーホールの孔サイズは約12ミル（0.012インチ）である。貫通孔を作る場合は、まず直径0.014インチの穴をあけて、銅をメッキする。これは、穴の内側に約1ミル（0.001インチ）の銅を加えます。回路基板はまた、ENIGメッキプロセスを使用する。これは、ニッケルのおよそ200マイクロインチと銅の外側表面におよそ5マイクロインチの金を加えます。我々は我々の計算でこれらの材料を無視して、ビアの熱抵抗を決定するために銅だけを使用します。

12 ml（直径）の穴に対してこの式を使用すると、R 0＝6ミル（0.006インチ）、R 1＝7ミル（0.007インチ）、K＝9（銅メッキ）を有する。

変数Lはビア（上部の銅層から下の銅層まで）の長さである。パワーモジュールがはんだ付けされた回路基板上にはハンダマスクが存在しないが、他の領域については、PCB設計技術者は、各スルーホールの頂部に半田マスクを必要とする可能性があり、それ以外の場合はスルーホールより上の領域が空になる。ビアが外側の銅層に接続するので、その長さは63.4マイル（0.0634インチ）です。合計ビア長自体の熱抵抗は167°C／Wである。

熱がビアを通って流れて、もう一つの層（特に別の銅層）に達するとき、それはその物質層に横方向に拡散することに注意してください。より多くのビアを加えることは最終的に効果を減少させるでしょう。ISL 8240 MeVal 4 Z評価委員会のサイズは、3インチ×4インチです。回路基板の上部および底層は2オンスの銅を含み、2つの内側層はそれぞれ2オンスの銅を含む。これらの銅層を働かせるために、回路基板は孔を通して917の12ミル直径を有する。

まとめ

電圧レールと高性能マイクロプロセッサおよびFPGAの数の増加に適応するために, ISL 8240 Mパワーモジュールのような先進の電力管理ソリューションは、より大きな電力密度を提供して、低消費電力を提供することによって、効率を改良するのを助ける. における貫通孔の最適実現 PCB設計 パワーモジュールは、より高い電力密度を達成する上でますます重要な要因となっている.